工程材料及机械制造基础课件1.ppt

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工程材料及机械制造基础顾伟生绪绪论论一、课程的性质一、课程的性质它是一门综合性技术的基础课，主要研究工程材料（主要是金属材料）的组织结构与性能，及其加工工艺的一门学科。

1、材料为什么各种金属材料（甚至是同种金属）会出现各种不同的性能？

如：

软、硬、变形、磨损等。

这与它们内部的成分、组织结构及热处理工艺有关。

2、加工工艺2、加工工艺热加工：

铸造、锻造、焊接等，（热处理）冷加工：

切削加工（机加工、钳工）铸、锻、焊、切削加工是以改变形状为主。

热处理是以改变性能为主。

二、内容内容1、材料及热处理。

2、铸造、锻造、焊接、切削加工。

三、要求三、要求1、了解常用金属材料的性能及选用。

2、了解各种成型方法的工艺特点。

3、零件的结构工艺性。

学习方法：

归纳总结、适当记忆、联系实际、反复运用。

考核：

重在平时小测验、作业、质疑、考试、上课提问。

第一章第一章合金材料及热处理合金材料及热处理1金属及合金的性能金属及合金的性能一、机械性能一、机械性能L11、强度、强度（金属材料在外力作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力）l屈服强度材料在载荷保持不变而变形继续增加。

l抗拉强度材料在断裂前能承受的最大应力。

其中：

PS试样产生屈服现象时的载荷（N）Pb试样在断裂前的最大载荷（N）F0试样原来的横截面积（mm2）S安全S断裂大多数量的零件设计的依据以S。

2、塑性、塑性（金属材料在外力作用下，产生永久变形而不被破坏的性能）

（1）延伸率=（L1-L0）/L0100%

（2）断面收缩率=（F0-F1）/F0100%工程上一般:

5%的材料称为脆性材料，如铸铁。

3、硬度硬度（金属材料抵抗硬物压入的能力）l布氏硬度：

以压痕单位球面积上所承受载荷的大小，作硬度值。

（HB）l洛氏硬度：

以压痕的深度来确定其的硬度值。

（HRC）lHBS淬火钢球，用于测定较软金属材料（450HBW）。

lHRC1/10HBS4、冲击韧性、冲击韧性（材料抵抗冲击力的能力）ak=AK/F（J/cm2）其中：

AK冲断试样所需的冲击功（单位为J）F试样断口处截面积（单位为cm2）失效断裂塑性变形磨损性能b,ak,SHB,HRC二、物理性能和化学性能二、物理性能和化学性能如：

比重、熔点、耐腐蚀性等。

三、工艺性能工艺性能（材料适应成形加工工艺的能力，反映对材料成型加工的难易程度）l铸造性能l压力加工性能l切削加工性能l焊接性能l切削加工性能l热处理工艺性能思考思考：

1、金属材料的机械性能中哪个性能最好？

2、已知某钢材的S=240MPa，b=400MPa，在20mm的拉杆上分别承受以下的拉力：

F1=5104N；F2=1103N；F3=1.5105N。

试问会产生什么现象？

作业作业：

P11.（5）2铁碳合金和状态图铁碳合金和状态图一、碳钢一、碳钢碳钢铁碳合金。

C0.9%时，lSi：

Si、HB，、ak。

l但Si含量少，故影响不大。

lMn：

Mn、HB，并减少S的危害。

也Mn含量少，故影响不大。

lS:

生成FeS，FeS与Fe形成晶体（985熔点），易热脆。

lP：

P、HB，、ak。

易冷脆。

1、碳及杂质对碳钢性能的影响、碳及杂质对碳钢性能的影响2、碳钢的分类、碳钢的分类

（1）按钢的含碳量不同分为：

l低碳钢Wc0.25%l中碳钢Wc=0.25%0.60%l高碳钢Wc0.60%

（2）按钢的质量分为:

（根据钢中S、P含量）l普通碳素钢S0.055%,P0.045%l优质碳素钢S0.04%，P0.04%l高级优质碳素钢S0.03%，P0.035%（3）按用途不同分为：

l碳素结构钢：

主要用于制造各种工程结构（如桥梁、船舶、建筑等）l机器零件（如齿轮、螺栓等）。

l这类钢一般为低碳钢和中碳钢。

l碳素工具钢：

主要用于各种刀具、量具和模具。

大多为高碳钢。

3、碳钢的编号和用途、碳钢的编号和用途

（1）碳素结构钢l如：

Q235。

l其中：

Q屈服强度的“屈”汉字拼音字首，235屈服强度的数值（MPa）此类钢一般在应状态下使用，必要时可进行锻造、焊接等热加工，亦可通过热处理调整其机械强度。

（用途见P31B15）

（2）优质碳素结构钢l如：

45（08，10，15，20，55，60）l用两个数字表示其牌号。

（钢中平均含碳量）。

l优质碳素结构钢中的S、P含量较少，一般用于较重要的零件，常进行热处理提高其力学性能后使用。

供货时既保证其力学性能又保证其化学性能。

l低碳钢：

、HB较低，、ak较好。

可焊性、可锻性良好。

主要用于制作冲压件、焊接件、渗碳件及强度要求不高的零件。

l中碳钢：

、HB、ak适中。

经热处理后有较好的综合力学性能。

常用于齿轮、轴、连杆、丝杠等受力较大的零件。

l高碳钢：

、HB、弹性较高，、ak较差。

常用于制造要求具有较高强度，耐磨性和弹性的零件。

如弹簧（板、螺旋、垫圈弹簧等）、轧辊、钢丝绳等。

（3）碳素工具钢如：

T12,T12A其中：

T汉字“碳”或汉字拼音字母“T”，12含碳量的的千分之几，A高级优质钢。

*碳素工具钢都是高碳钢、优质钢。

*碳素工具钢的热硬性差（V水V油*冷却速度V的快慢与水冷、油冷有一定区别。

如同样的水淬，小件V很大，而大件V小。

*V盐要比V水的好，主要是变形小，不易开裂。

（故合金钢用油淬）。

lM是一种不稳定的组织，在一定条件下经过一定时间，它们有可能分解向平衡态转变。

这将会引起工件变形甚至开裂。

所以淬火后的工件要及时进行回火处理。

四、回火回火l将淬火钢加热到AC1线以下某一温度，保温后在冷却。

（一般在空气中冷却）四、回火回火*调质处理淬火高温回火。

低温回火得：

回火马氏体M（=M+弥散碳化物，此时M含量，但仍为片状）中温回火得：

回火屈氏体T（=F+Fe3C细粒）高温回火体：

回火索氏体S（=F+Fe3C粗粒）四、回火回火P（F+Fe3C片状，小于500倍显微镜下可分辨片状）S（F+Fe3C细片状，5001500倍显微镜下可分辨细片状）T（F+Fe3C极细片状，5000倍以上电子显微镜下可分辨极细片状）五、钢的表面热处理只改变零件表面组织和性能，而不改变表层化学成份。

表面淬火。

同时改变表层的化学成份和组织。

渗碳、渗氮、碳氮共渗等。

l问：

某厂用T10A钢制造冷作模具，经淬火及低温回火使用；用45钢制造齿轮，经调质后使用。

若它们两种材料搞混了，经热处理后会怎样？

l问：

亚共析钢的淬火温度为Ac3以上3050，若淬火温度过高或过低有什么不好？

l问：

为什么过共析钢淬火温度加热到Ac13050以上，而不加热到Accm以上？

l问：

实验室里开了六个电炉，温度分别为910、840、780、600、400、200。

现有材料15钢、45钢、T12钢。

问：

若要进行退火处理，三种材料分别放在那个炉子里加温？

若要制作钳工用锯条，选用什么样的材料？

并写出热处理工艺以及处理后的组织是什么？

目的是什么？

若要制作轴，选用什么材料？

并写出热处理工艺以及处理后的组织是什么？

目的是什么？

4其他常用金属材料简介随着现代科学技术的不断发展，对使用的钢材提出了越来越高的要求。

要求钢材具有高强度、高韧性、高耐磨性以及耐高温、抗氧化、抗腐蚀等性能。

碳钢是远远不能满足这些要求的。

一、合金钢合金钢为了改善钢的性能特意在碳钢的基础上加入某些合金元素所获得的钢种。

l合金钢中常加入的合金元素有：

Mn,Si,Cr,Ni,Mo,W,V,Ti等一、合金钢l在合金钢中加入合金元素的目的：

提高钢的机械性能。

（如,HB,ak等）改善钢的热处理工艺性能。

（如提高淬透性，减少淬火变形等）使钢获得某种特殊的性能。

（如耐腐蚀、耐热等）牌号Q23520CrMnTi4540CrS（Mpa）235850355800一、合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢合金钢按用途可分为1、合金结构钢l合金结构钢是用来制造各种机器零件及各类工程结构的钢。

l牌号表示“数字+合金元素符号（或汉字）+数字”前面的数字表示钢的含碳量的万分之几元素符号表示钢中所含的合金元素后面的数字表示前面合金元素的百分之几平均含量。

（四舍五入，若12mm）2、合金工具钢l合金工具钢是用来制造刃、量、模具等各种工具。

l牌号表示“数字（或无数字）+化学元素符号+数字”前面的数字表示钢中平均含碳量的千分之几。

（1%C不标，高速钢例外）。

其余同合金结构钢表示方法2、合金工具钢名称牌号用途刃具钢9SiCrW18Cr4V扳牙、丝锥、铰刀、钻头等车刀、铣刀、刨刀、高速钻头等量具钢CrWMn9SiCr高精度块规，螺纹塞规等模具钢Cr12MoV冷变形模具（如：

冷冲模、拉丝模等）3、特殊性能钢如：

不锈钢、1CrNi9Ti、0Cr18Ni9Ti等。

1Cr13、2Cr13、3Cr13等。

3、特殊性能钢l腐蚀是金属制件经常发生的一种现象（约占其产量的10%）。

化学腐蚀（如钢在高温下的氧化）电化学腐蚀（如钢在室温时的氧化（即生锈）腐蚀*（大部分腐蚀属于电化学腐蚀）F的电极电位较负，成为阴极被腐蚀。

Fe3C电极电位较正，成为阳极而不被腐蚀。

P（置于硝酸酒精溶液中）3、特殊性能钢l防止腐蚀的途径：

提高合金本身的电极电位。

在铁中加入大于13%的铬后，则铁的电极电位由0.56V突然升至0.2V，因此其抗蚀性显著提高。

铁铬合金的电极电位（大气条件）在钢中同时加入铬和镍，可能形成单一奥氏体组织。

3、特殊性能钢l分类：

按组织分马氏体不锈钢铁素体不锈钢奥氏体不锈钢按成份分铬不锈钢铬镍不锈钢铬锰氮不锈钢3、特殊性能钢1Cr13，2Cr13（汽轮机叶片、螺栓、螺帽等）3Cr13，4Cr13（医疗工具如手术刀，量具等）M0Cr18Ni9Ti，1Cr18Ni9Ti（耐酸设备，化工容器等AF1Cr17（管道、酸槽、食品设备等二、铸铁l铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。

（另外其Si、Mn、S、P均比钢中高）l根据铸铁中碳的存在形式不同分类：

白口铸铁灰口铸铁白口铸铁l其碳几乎全部以化合物（Fe3C）状态存在，断口成银白色（故称白口）l其性能硬而脆，很难进行切削加工（故很少用）l有时利用它的高硬度、耐磨性好的特点，制造一些要求表面有高耐磨性的机件。

如轧辊（表面），球磨机的内衬和磨球、犁铧等l目前白口铸铁主要用作炼钢原料和生产可锻铸铁的毛坯。

灰口铸铁l其中碳全部或大部分以石墨形式存在，因断口呈暗灰色而得名。

l它是生产上应用最广泛的铸铁。

l根据灰口铸铁中石墨形状不同，灰口铸铁可分为：

普通灰口铸铁（简称灰铸铁）其石墨成片状，HT150，（仅钢2030%）可锻铸铁其石墨成团紫状，KTH300-06，（仅钢5070%）球墨铸铁其石墨成球状，QH600-02，（仅钢7090%）灰口铸铁l石墨G在铸铁约占体积710%，它的20MPa，HB3，、ak几乎为零。

如：

铅笔芯=G+粘土，但它的抗压强度接近钢。

l片状石墨：

缩减作用；割裂作用。

灰铸铁组织=钢的基体+G片共析钢P+G片亚共析钢P+F+G片F+G片G片细小粗大高低,HB灰口铸铁l灰铸铁的铸造工艺性优异、价格低廉、故在工业生产上应用最广，其产量约占各类铸铁产量的80%以上。

l灰铸铁主要应用于盖、支柱、底座、箱体、机体、阀体、缸体等。

铸造工艺性切削工艺性好好焊接性能锻造性能热处理性能差差差减振性减磨性缺口敏感性好好好其他性能共析钢正火状态b900MPaP基体的灰铸铁b200250MPa有色金属l工业上把铁及其合金称为黑色金属，把其它金属及其合金统称为有色金属。

1、铜及其铜合金工业纯铜（由于表面形成氧化膜，外观呈紫红色，习惯上称为紫铜）含铜量：

99.599.95%（常含氧、硫、铅、砷、铋等杂质）比重：

8.94熔点：

1083纯铜具有优良的导电性、导热性、抗大气腐蚀性。

工业纯铜纯铜的强度低b=200250MPa，塑性好，=4550%冷变形后，b=400500MPa，塑性好，=5%l纯铜具有面心立方晶格，无同素异构转变。

l常用工业纯铜的牌号有T1、T2、T3、T4。

其中“T”为铜字的汉语拼音的第一个字母，后面数字表示顺序号。

顺序号越高，其杂质含量也越高。

（即铜的纯度越低）。

工业纯铜l